分布式缓存

1.缓存分类

1.1 前端缓存：页面和浏览器缓存，App缓存

• 页面缓存属于客户端缓存一种，第一次访问时，页面缓存将浏览器渲染的页面存储在本地。用于数据更新比较少的数据，大部分浏览器自身会实现缓存功能，对于页面中的视频图片，浏览器都会进行缓存，App内各级缓存更加复杂。
• HTML5支持本地储存，包括localStorage，sessionStorge。localStorage没有时间限制，sessionStorge与session的有效期内相关。支持离线缓存，Application Cache 技术 实现应用离线的缓存，Application Cache基于mainfest文件实现缓存机制，浏览器通过这个文件上的清单解析资源。

1.2 网络传输缓存

大多数业务通过HTTP实现，工作在TCP协议之上，多次握手后，浏览器和服务器建立TCP连接，然后进行数据传输，传输过程中涉及多层缓存。

• CDN（Content Delivery Network）内容分发网络
  实现关键包括内容存储和内容分发：内容存储，对数据的缓存功能。内容分发，CDN节点支持的负载均衡。前端请求经过DNS后会被指向网络中最近的CDN节点，该节点从真正的应用服务器获取资源返回给前端，同时将静态信息缓存，在新的请求过来后，可以只请求CDN节点数据，同时CDN节点也可以和服务器之间同步更新数据
• 负载均衡缓存
  负载均衡服务器实现请求路由的负载均衡功能。
  也可以实现部分数据的缓存，比如配置信息等很少修改的数据。
  用户请求在达到应用服务器前，会先访问Nginx负载均衡器，有缓存信息直接返回给用户，没有缓存信息，Nginx会从应用服务器获取信息

1.3 服务器缓存

是缓存的重点，是业务平时最多的缓存

• 本地缓存：应用内缓存，Guava实现的各级缓存，或者Java语言中使用各类Map结构实现的数据存储。随着服务重启后失效，作用时间短，应用比较灵活
• 外部缓存: redis,memchaed等NoSQL存储的分布式缓存，在系统设计中对整体性能提升最大的缓存。外部缓存使用不当导致缓存穿透，雪崩等业务问题

1.4 数据库缓存

Mybatis为每个SqlSession创建LocalCache ,其可以实现查询请求的缓存，如果查询语句命中了缓存，返回给用户，否则查询数据库，并且写入LocalCache，返回给用户。
数据库执行查询语句时，M有SQL保存一个KV形式的缓存在内存中，Key是查询语句，Value是结果集，如果缓存被命中，会直接返回给客户端，否则通过数据库引擎进行查询，并且吧结果缓存起来，当数据有修改时，需要删除缓存

2.缓存问题

2.1 缓存穿透

• 不合理的缓存失效策略：导致大量缓存在同一时刻发生穿透，请求直接到持久层
• 外部用户的恶意攻击：用户利用不存在的key,来构造大量不存在的数据请求数据，海量请求全部穿过缓存，到数据库
  

2.1.1 解决方法

• 设置合理缓存失效策略
• 通过缓存空数据方式避免：针对数据库不存在数据，查询为空时，添加一个null值到缓存中
• 布隆过滤器：Bitmap

2.2 缓存击穿

前端请求大量访问某个热点key，而他在某个时刻失效
缓存穿透的特殊场景

2.3 缓存雪崩

大量缓存数据在同一时刻失效，请求全部转发到数据库，导致崩溃。

• 缓存服务不稳定，redis宕机
• 缓存失效导致，整体数据存储链路，服务调用链路，最终导致微服务整体对外服务出现问题

2.3.1 解决

• 明确缓存集群的容量峰值
• 做好缓存集群的高可用：通过RedisCluster,Proxy等不同的缓存集群，实现redis高可用

3. 缓存稳定性

• 缓存应用：防止海量业务请求击垮数据库，保护正常服务运行
• 考虑缓存的稳定性：缓存数据，缓存容器（缓存服务器本身的稳定性）
• 缓存命中率：落到缓存上的请求占整体请求的占比，一般缓存命中率要求到90%以上，大促等场景99%以上。
  在应用缓存时，要对缓存服务压测，明确缓存最大水位，当前系统容量超过阈值，通过其他高可用手段进行调整，如服务限流，请求降级，使用消息队列等

4.数据不一致问题

处理少数配置信息类缓存，比如黑白名单，页面展示配置，大部分缓存作为前端请求和持久化层的中间层，承担前端的海量请求。
最理想的情况：缓冲和数据库同时更新成功，由于缓存和数据库分开的，会出现缓存更新失败或数据库更新失败情况

• 场景：某次更新将A价格从1000更新为1200，但是数据库更新成功，缓存失败，用户查看时，看到的是1000，下单是1200

4.1 更新缓存方式

通过更新缓存和更新数据库俩个操作来实现最终一致性
请求先从缓存查，没有命中从数据库查，查询成功后，返回结果同时更新缓存。

• 先数据库再缓存：在写操作时，先更新数据库，成功后，更新缓存会失败
• 先删除缓存，再更新数据库: A线程更新操作，将缓存删除，B线程查询直接查数据库，A线程再更新数据库为新的值
• 先更新数据库，再删除缓存：经典缓存+数据库读写模式，Cache Aside方案。读的时候，先读缓存，没有再读数据库，取出来数据放入缓存，并返回响应。更新时，先更新数据库，成功后再删除缓存。
  考虑该情况：A删除缓存，更新主库。B读取缓存，没有命中，从从库查询并设置缓存。主库从库同步。
  存在删除缓存失败，多次重试解决
• 更好的方案:更新时删除，等下次查询时再填充缓存

4.2 同步删除

在更新数据库的同时，立即删除缓存，确保缓存中的数据与数据库保持一致。
删除而不是更新缓存,删除数据比更新数据更轻量级，出问题概率更小

4.3 多级缓存

通过事务性消息队列加监听方式失效对应缓存
较难保证数据一致性，通常用于一致性不敏感业务。
针对性的设计：

• 通过给数据添加版本号，或通过时间戳+业务主键方式，控制缓存数据版本实现最终一致性
• Binlog异步更新缓存

4.4 延时双删

在更新数据库后，先删除缓存，然后延迟一段时间再次删除缓存，以确保缓存中的数据最终一致。

4.5 分布式锁

4.6 消息队列

4.7 基于缓存更新策略

通过设置缓存的过期时间和更新策略，确保缓存中的数据最终一致。
更新数据库。设置缓存过期时间。读取数据时，如果缓存失效，则从数据库加载并更新缓存。

5.缓存失效策略

删除访问频率不高的缓存，为新缓存腾空间

5.1 页面置换算法

页面的调度算法，操作系统中文件读取会先分配一定的页面空间Page，查询空间是否有该页面的缓存，有直接拿到，否则查询页面空间没有满，就缓存页面，满了就删除部分页面

• FIFO 先进先出
• LRU 最近最少使用
• LFU 最不经常使用

5.2 内存淘汰策略

当redis节点分配的内存使用到达最大值以后，redis启动内存淘汰策略

• noeviction 默认，对于写请求拒绝服务，直接返回错误，保证数据不丢失
• allkeys-lru，对所有key使用LRU算法进行缓存淘汰
• volatile-lru 对设置了过期时间的key 使用LRU算法淘汰
• allkeys-random ,对所有key随机淘汰数据
• volatile-random,对设置了过期时间的key随机淘汰数据
• volatile-ttl,对设置了过期时间的key,根据过期时间进行淘汰，越早过期的越优先被淘汰

5.3 缓存过期策略

内存淘汰是缓存服务层面的操作
过期策略是具体缓存数据何时失效，缓存key过期了该如何处理

• 定时过期：为每个设置过期时间的key都创建定时器，到期就会清除，但需要耗费大量CPU去处理过期数据，影响缓存服务性能
• 惰性过期：只有当访问一个key时，才判断是否过期，并且进行删除，极端情况出现大量过期key无法被删除
• 定时过期： 添加一个即将过期的缓存字典，每隔一段时间，会扫描一定数量的key，并清除其中过期的key

5.4 实现LRU缓存

重写LinkedHashMap，在原生的removeEldestEntry中默认返回false

6.集群

redis集群方案：Cluster,twemproxy,哨兵，Codis
更新缓存，放置那台机器，获取从那台获取

• 数据同步方案下，所有节点之间数据一样的，不同节点互为副本，但会造成服务器资源浪费，更新缓存时，考虑不同节点的一致性
• 数据不同步方案：每个缓存节点储存数据不同，在缓存读写使用一定的策略进行分发，如果需要冗余数据，通过缓存集群主从同步实现

6.1 哈希取模路由

通过对hash/节点数量得到服务器下标
适合对固定数量缓存集群进行路由，但是对横向扩展不好

6.2 一致性哈希

在负载均衡策略下，可以应用一致性哈希，减少节点拓展时数据失效或者迁移的情况。
一致性哈希是特殊的哈希算法。在使用一致性哈希算法后，哈希表槽位数的改变平均只需要对K/n个关键字重新映射，其中K是关键字的数量，n是槽位数量。然而在传统的哈希表中，添加或删除一个槽位几乎需要对所有关键字重新映射。

6.3 Hash环

获取所有服务器节点hash值，然后获取key的hash，与节点的hash进行对比，找出顺时针最近的节点进行存储和读取。
设有四台服务器，A：100 B：200 C：300 D：400
key哈希操作200,260.500 分别放在B C A服务器
D服务下线，原先路由到D的数据顺时针迁移到A

6.3.1 缓存雪崩

10台服务器组成哈希环，顺序5台宕机，请求都转移到一台服务上，被打爆后继续转移

• 添加虚拟节点，对服务器节点进行哈希操作，在整个哈希环上均匀添加诺干个节点，a1 a2属于A b1 b2 属于B 哈希时平均各个节点数据

6.4 一致性哈希算法

TreeMap基于红黑树实现，元素默认按照Keys的自然排序排列，对外开发tailMap（K formKey）方法，可以返回formKey顺序的下一个节点

7.Redis主从复制

任何节点都可以成为主节点，通过Slaveof命令开启复制，主从复制可以作为数据备份，从节点可以拓展主节点的读请求支持能力，实现读写分离

7.1 Mysql故障转移机制

同步方式有半同步，全同步，关于GTID的复制方式
MySQL缺少一个选举决策的节点，一般人工预选主流程
当主节点发生故障宕机，需要运维工程师从从节点服务器列表中选择一个晋升为主节点，需要更新上游客户端配置
自动故障转移：自动实现Failover

7.2 Redis Sentinel 哨兵

是一个独立运行的过程，假如主节点宕机，实现功能

• 不定期监控Redis服务运行状态
• Redis节点宕机，通知上游客户端进行调整
• Master节点不可用时，可以选择一个Slave节点
  作为新的Master机器，并且更新集群中的数据同步关系

7.3 Redis Sentine 方案

包含多个Sentinel节点，以及多个数据节点的分布式架构
Sentinel节点之间相互监控，当发现某个Redis数据节点不可达时，Sentinel会对这个节点做下线处理
如果是Master节点，会通过投票选择是否下线Master节点，完成故障发现和故障转移